【Java并发工具箱】：CyclicBarrier与其他同步工具的综合运用策略

# 1. Java并发工具箱概述

在现代软件开发中，尤其是在多线程环境下，合理管理线程间的协调和同步显得尤为重要。Java提供了丰富的并发工具箱，以帮助开发者构建稳定且高效的多线程程序。并发工具箱中包括了各种同步机制和并发数据结构，它们被设计为满足不同场景下的并发需求。本章我们将从高层次概述Java并发工具箱，并为后续章节中更深入的讨论打下基础。

# 2. 深入理解CyclicBarrier

### 2.1 CyclicBarrier的定义和功能

#### 2.1.1 CyclicBarrier的基本概念

在多线程编程中，同步是一个经常遇到的问题，尤其是在需要多个线程协作完成一个共同目标时。CyclicBarrier是Java并发包中的一个同步辅助类，它允许一组线程相互等待，直到所有线程都达到了某个公共屏障点（barrier point）。当所有线程都到达屏障点后，屏障才会打开，线程才能继续执行后续的操作。这个特性使它在多线程的并行计算中非常有用。

`CyclicBarrier`的一个关键特征是它能够被“重用”，也就是说，一旦所有线程都通过了屏障，这个`CyclicBarrier`实例就可以再次使用，无需重新创建。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int totalThread = 5;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(totalThread, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 所有线程都到达屏障点后执行的任务
                System.out.println("所有线程准备就绪，可以进行下一步操作");
            }
        });

        for (int i = 0; i < totalThread; i++) {
            new Thread(new Worker(cyclicBarrier), "线程" + i).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Worker(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到达屏障点");
                cyclicBarrier.await(); // 等待其他线程
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在上面的代码示例中，创建了一个`CyclicBarrier`实例，指定了所有线程数和屏障点释放后执行的任务。每个线程到达屏障点后会调用`await()`方法阻塞，等待其他所有线程也调用`await()`方法后继续执行。

#### 2.1.2 CyclicBarrier与CountDownLatch的比较

尽管CyclicBarrier和CountDownLatch都可以用于线程间的同步，但它们的设计目标和使用场景有所不同。CountDownLatch是单次计数的门阀，一旦计数达到0，门阀就会打开，无法重新使用。而CyclicBarrier是可循环使用的门阀，所有线程到达后才会打开，并且可以重新初始化后再次使用。

CyclicBarrier适用于一组线程达到同步点后需要相互等待并继续执行任务的场景。而CountDownLatch适用于多个线程等待直到某个事件发生后（例如服务启动完成、资源加载完成等）再继续执行后续任务的场景。

### 2.2 CyclicBarrier的工作原理

#### 2.2.1 内部结构分析

CyclicBarrier内部使用了一个可重入锁（ReentrantLock）和一个条件变量（Condition）来实现线程间的协作。通过维护一个固定大小的参与者（parties）计数，当线程执行到await方法时，计数减一，如果计数不为零，则线程将被阻塞。

为了处理线程中断的情况，CyclicBarrier提供了一个中断策略。当线程因为await被阻塞时，如果被中断，CyclicBarrier会释放锁并抛出InterruptedException。如果屏障被打破，则所有等待的线程都会被唤醒。

public class CyclicBarrier {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    private final int parties;
    private final Runnable barrierCommand;
    private Generation generation = new Generation();

    private int count; // 到达屏障的线程数

    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierCommand) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierCommand;
    }

    public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen;
        }
    }

    private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            final Generation g = generation;

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }

            int index = --count;
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }

            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            for (;;) {
                try {
                    if (!timed)
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();
                        throw ie;
                    } else {
                        // We're about to finish waiting even if we had not
                        // been interrupted, so this interrupt is deemed to
                        // "belong" to subsequent execution.
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }

                if (g.broken)
                    throw new BrokenBarrierException();

                if (g != generation)
                    return index;

                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private void nextGeneration() {
        // signal completion of last generation
        trip.signalAll();
        // set up next generation
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }

    private void breakBarrier() {
        thisGeneration().broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

    private Generation thisGeneration() {
        return generation;
    }

    private static class Generation {
        boolean broken = false;
    }
}

在这个类的内部结构中，有一个内部类`Generation`，用于控制屏障的状态。如果屏障被破坏，所有等待的线程将被释放，并且之后的await调用将抛出`BrokenBarrierException`异常。

#### 2.2.2 状态流转机制详解

CyclicBarrier的状态流转涉及线程到达屏障点和屏障点打开后的状态变化。状态流转主要有以下几个关键步骤：

1. **初始化状态**：创建CyclicBarrier时指定参与线程数，此时屏障处于可等待状态。
2. **等待状态**：线程调用`await()`方法后，会减少内部计数器的计数，并且如果计数器不为零，则阻塞等待。
3. **屏障点打开**：当内部计数器计数降至零时，表示所有线程都已到达屏障点，此时会执行构造CyclicBarrier时提供的任务（barrierCommand），然后调用`nextGeneration()`方法重置CyclicBarrier状态，准备下一轮使用。
4. **重置和循环使用**：通过`nextGeneration()`方法，CyclicBarrier重新初始化内部计数器，并允许再次使用。

一旦CyclicBarrier被破坏（例如，一个线程在等待时被中断），它将无法再被重置或使用，所有调用`await()`方法的线程将抛出`BrokenBarrierException`异常。

### 2.3 CyclicBarrier的应用场景

#### 2.3.1 多线程共同完成任务的场景

在一些需要多个线程协作完成任务的场景中，CyclicBarrier提供了非常方便的同步机制。比如，一组线程需要同时从网络获取数据，只有当所有线程都成功获取数据后，才能进行下一步的处理。

public class DataFetcher {
    private static final int THREAD_COUNT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(THREAD_COUNT, new Runnable() {